降雨对库岸区边坡稳定性的影响研究

王 绪

(辽宁省水利水电勘测设计研究院有限责任公司，沈阳 110000)

1 概 述

新安江水库即千岛湖是浙江省内最大的水体，也是重要的森林生态系统。对千岛湖的开发必须围绕着生态平衡而展开，库岸区边坡的稳定性问题也是其中研究的重点。浙江是雨水充沛的省份，每年的雨季必然会有大量的强降雨，这会导致边坡的稳定性变弱。前人对库区边坡稳定性也有较多的研究。廖红建[1]等以三峡水利工程为背景，研究了水位的周期性调节对库岸边坡的稳定性影响，得出降水速度和渗透系数以及边坡稳定性的关系。雷小芹[2]等研究了降雨导致边坡失稳的机制。董金玉[3]等利用现场试验以及岩土数值分析软件分析了蓄水和降雨过程中边坡变形破坏的特征，提出了边坡变形特征的特点。李友林[4]则从地质条件的角度来分析边坡类型对降雨的敏感度。叶帅华[5-6]等进行了黄土高边坡遇到降雨条件下的稳定性分析，得出相关规律。杜娟娟和黄亮等[7-10]主要研究降雨和水位下降对边坡的影响，结果表明水位下降会导致安全系数先降后升。余兵与林渝[11-12]等发现边坡的裂隙对安全系数也有较大影响。

上述研究多是立足在水位上升或者降雨等单一影响因素上进行分析，实际情况下在雨季的时候库区水位上涨的同时，降雨也会接踵而至，应该充分考虑两者同时的作用。本文以高速公路路堤临湖边坡为工程背景，充分考虑不同情况下降雨和水位升降对库区临湖路堤边坡的稳定性影响。

2 工程概述

新安江水库作为千岛湖被人们广为熟知，是著名的旅游景点。千岛湖位于浙江省淳安县内，是浙江省境内最大的水库。拟建高速公路穿过千岛湖库岸区，对千岛湖的生态环境、库区水质、生物多样性等都有影响。而且临湖建设公路路堤边坡，库岸区复杂的水文环境对路堤边坡的稳定性有着很大的影响。高速公路经过千岛湖时，临湖段路堤边坡通过抛石填湖制造平台，然后在上面堆填路基填料并压实形成路堤边坡，边坡的一部分在水面以下。湖面水位涨落受季节性降雨影响较大。经过调查可知，夏季水位高达108 m，冬季枯水期水位在98 m左右，水位涨落差达10 m。路堤边坡填料是含有粗颗粒的粉质砂土，坡度最高为1∶1.5，由于边坡高度较大，在边坡上设置平台作为缓冲。

路堤边坡填料经过倾倒、压实后，通过现场十字板试验和室内测试得到的物理参数见表1。

表1 地基土参数表

3 数值模型的建立

3.1 模型参数取值及网格划分

为了模拟土质边坡受到潮水涨落的影响，利用有限元软件迈达斯建立边坡模型。在本次计算过程中，将坡面边界定义成为渗透边界以分析水位作用。模型的边界条件定义为左右约束其X方向的位移，底部固定。渗透边界定义为左右边缘为零流量边界，底部为不透水层，模型的上缘(包括边坡顶部、坡面和坡脚平台)为渗透层，其渗流量与土体渗透系数、降雨量等有关。为了模拟水位的变化对边坡稳定性的影响，计算开始前把湖面水位设置在坡脚处，而后缓慢上升至10m。在迈达斯中，水位变化的模拟通过水头大小来实现。模型的示意图、网格图和水位图见图1。

图1 边坡示意图与网格图

潮水涨落及降雨对边坡的稳定性影响是一个饱和-非饱和的渗透问题。既要考虑到土体饱和情况下的渗流问题，也要分析非饱和土体的特性，因此土体的水土特征曲线即SWCC和渗透性相关函数是必要的研究对象。图2和图3给出了基质吸力与体积含水量的关系曲线(SWCC)以及基质吸力与非饱和土渗透系数的关系。前者描述了含水率和土中吸力的关系。后者决定了非饱和土中的渗透系数与基质吸力的关系，土体的饱和渗透系数为0.25 m/d，结合水土特征曲线可推导出图3所示关系曲线。通过这两条曲线，就可以由土的含水率得出土的基质吸力，这是进行边坡非饱和土分析的基础。

图2 边坡土体水土特征曲线

图3 边坡土体基质吸力与渗透系数关系曲线

3.2 水位变化在模型中的实现

在库岸区路堤边坡的稳定性分析中，水位涨落的速度有着重要的作用。通过当地水文资料调查可知，夏季最高水位上升速度可达0.43 m/d。为此，本文选择以下3种工况用于模拟不同水位上升速度对路堤边坡稳定性的影响。工况1、工况2和工况3库岸区水位上升速度分别为0.4、0.2和0.1 m/d，分析时间分别为55、80和130 d。即以坡脚为水位零点，水位从坡脚开始上升至10 m处，并持续30 d。当水位下降时，工况4、工况5以及工况6分别代表坡面水位以0.4、0.2和0.1 m/d的速率从10 m处下降至坡脚，分析总时间分别为58、110和160 d。水位的变化可以通过坡面孔隙水压力的改变来实现。

迈达斯分析边坡稳定性时可以采用强度折减法分析理论。通过边坡强度系数的折减，可得到边坡土体在极限情况下的应力应变最大值、滑动面的剖面、塑性区的位置和发展以及边坡整体的安全系数，并由此反映出客观的边坡破坏机理。见图4和图5。

图4 水位上升工况

图5 水位下降工况

3.3 降雨条件模拟

与其他有限元软件一样，迈达斯可以通过设置降雨边界函数来模拟降雨条件。降雨强度可以设置单位时间流量来实现。但是只能够模拟降雨全部入渗边坡的情况，排除了坡面径流和积水的可能。在现实降雨过程中，由于降雨强度和坡面渗透性的限制，可分为3种情况：①当降雨强度小于边坡的渗透性，降雨流量可以全部通过渗透进入坡体里面；②当降雨强度大于边坡渗透性时，降雨流量的一部分渗透进入边坡，而另外一部分将会在边坡表面形成小型积水，在积水达到一定程度之后会相互连接在一起形成坡面径流，从而使坡面积水通过径流排到湖中去；③当边坡的表面土层由于渗透已经接近饱和，此时坡体的渗透性接近于零，雨水无法渗入坡体中，则会导致所有雨水会通过坡面径流排走，并不会进入边坡内部。

本次计算模拟降雨强度分为3个不同的等级，分别为0.004、0.008和0.016 m/d。边坡降雨条件在有限元中也可以通过流量边界条件进行设置，在坡顶和坡面进行渗流量边界条件的设置以模拟降雨条件。工况7、工况8和工况9是当水位以0.4 m/d的速率上升时，不同降雨强度对边坡稳定性的影响。工况10、工况11和工况12则是模拟水位下降时，不同降雨强度对边坡稳定性的影响。见表2。

表2 模拟工况总汇表

4 数值模拟结果分析

4.1 水位上升对边坡稳定性的影响分析

图6为工况1-工况3安全系数与分析时间的关系。从图6中可以看出，随着水位逐渐上升，不同工况下的安全系数都呈现出上升的态势。其中，工况1安全系数上升得最快，顶点也最高。这种现象表明水位上升越快，安全系数上升更快更高。导致这种现象出现的原因是当水位上升时，湖面的水缓慢渗透进入坡体内部，对边坡土体产生了一个指向边坡内部的动水压力，边坡土体从非饱和过度到饱和，从而使土颗粒更加密实，边坡趋于稳定。水头上升的快慢直接影响动水压力的大小，所以导致水位上升越快，安全系数越高的现象。随着水位越高，安全系数上升得更快。这是因为水位较低时，动水压力的方向几乎是水平的，对土体颗粒之间的作用较低。而当水位较高时，动水压力的方向近似垂直于坡面，所以对边坡稳定性贡献更高。

图6 水位上升对安全系数的影响

当水位达到最高点而后趋于稳定时，边坡整体的安全系数不再上升，反而随着分析时间的增加渐渐下降，最终趋于稳定。这是由于当水头稳定后，土体含水量渐渐饱和，动水压力也就随之消失。而后由于土中的孔隙充满了水，导致土体强度的衰减，安全系数慢慢下降，直到稳定在1.4左右。

4.2 水位下降对边坡稳定性的影响分析

经过计算分析，得出水位下降对边坡稳定性的影响，结果见图7。由图7中可以看出，当边坡湖面水位下降时，边坡整体的安全系数先是下降，而且下降的趋势逐渐趋于缓慢。当下降到最低点时反弹，最终上升至1.5左右稳定。这种现象的内在原因是动水压力方向的改变。当水位下降时，土体内部水位的下降滞后于湖面，此时产生的动水压力由土体内部指向外部，所以导致土体的不稳定性增加。开始时边坡土体的稳定性下降得比较快，而后安全系数下降的频率越来越慢。这是由于水位较高时，动水压力的方向几乎垂直于坡面向外，而且坡体的下部分由于饱和所以强度下降。当水位较低时，动水压力的方向变成几乎水平。动水压力的大小与水位下降速率直接相关，这与前文所得结论是一致的。

图7 水位下降对安全系数的影响

经过最低点后，由于动水压力的逐渐消失和坡体内部水的排出，导致土体的稳定性增强，最终比水位下降前更高。这就说明相对于饱和土，非饱和土的稳定性更高。这是非饱和土基质吸力的存在使土颗粒之间的连接更加紧密的缘故。

4.3 降雨对边坡稳定性的影响分析

图8显示的是当水位上升时，不同降雨强度对边坡稳定性的影响。由图8可以看出，跟水位涨落相比，降雨的作用对边坡稳定性的影响不大。降雨对边坡具有一定的削弱作用，使边坡表面土体吸水，基质吸力降低，导致边坡土体强度的下降，从而安全系数减小。在这个过程中，由于降雨量是有限的，以及土体渗透系数等影响，导致降雨只能使边坡表层的土体基质吸力降低甚至饱和。降雨强度的大小与土体基质吸力降低的快慢有关，降雨强度越大，基质吸力减小得越快。可以知道，降雨使雨水渗透进入土体内部，会产生水头压力，使边坡更稳定。但是这个作用非常微弱，并没有达到很大的影响。所以，降雨对边坡的主要作用是降低边坡表层的基质吸力，削弱稳定性。

图8 水位上升时降雨强度对安全系数的影响

图9是边坡水位下降时，不同降雨强度对边坡稳定性的影响。由图9可以看出，无论水位上升还是水位下降，降雨对边坡稳定性的影响都是小于水位涨落的，而且降雨对边坡的主要作用就是降低边坡的稳定性。

图9 水位下降时降雨强度对安全系数的影响

5 结 论

本文利用迈达斯有限元分析软件，结合工程路堤边坡案例以及当地水文及降雨条件，计算分析了在比较理想的情况下库岸区水位上升以及降雨条件对边坡稳定性的影响。数值模拟采用饱和-非饱和模型进行研究。因为非饱和与饱和土相比，具有基质吸力的作用，使边坡土体颗粒相互之间连接更加紧密，有利于稳定性。而水位的变化和降雨条件可以降低甚至消除这种负孔压的作用，这是库岸区边坡分析的特点。经过计算分析研究，主要的结论如下：

1) 边坡水位的升降对边坡稳定性具有重要的作用。当水位上升时，动水压力的作用使安全系数增加。当水位稳定，土体接近饱和时，动水压力消失，边坡安全系数降低，最终由于基质吸力的消失而变得更加不稳定。

2) 当水位下降时，情况基本与上升时相反，安全系数先降低后升高，最终比水位下降前更高。只是在同样的水位升降下，边坡土体的排水时间比进水时间更长。水位上升和下降的速度也有一定的影响，变化更快导致动水压力更大，对边坡稳定性会更有利或不利。

3) 对于库岸区边坡，影响边坡稳定性因素主要是边坡的水位，坡面的降雨由于产生的动水压力较小，所以对边坡的作用是削弱了边坡的稳定性。这一点无论水位上升还是下降的情况下都是一样的。